DCT車輛滑行降擋過程中踩油門沖擊問題的 標(biāo)定研究

吳 剛，楊云波，許健男，學(xué) 鋒，陳國棟

（中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春 130011）

前言

DCT的英文全稱是double clutch transmission，中文為雙離合變速器。DCT分濕式和干式兩種，濕式用的變速器油比較多，體積較大，可以承受較大的扭力，干式用的變速器油較少，體積更小，更緊湊，效率更高，適合小型車，但能承受的扭力不如濕式大。從性能上來看，DCT變速器除了擁有手動變速器的靈活性及自動變速器的舒適性外，還能提供無間斷的動力輸出。

市區(qū)行車過程中，由于道路比較擁堵，駕駛員需頻繁切換控制剎車及油門以應(yīng)對復(fù)雜的路況，減速滑行降擋過程中踩油門，整車驅(qū)動形式從反拖變?yōu)檎?qū)，由于傳動系間隙是客觀存在的，在傳動方向切換的過程中，沖擊由此產(chǎn)生。同時對比搭載DQ380大眾車型及國內(nèi)的其他的自主DCT車型，普遍存在該問題，由于傳動間隙受設(shè)計、生產(chǎn)工藝等因素影響，不同的車輛存在較大差異，所以就必須從策略控制上解決該換擋沖擊問題，提高DCT車型的換擋品質(zhì)。

1 換擋品質(zhì)

指變速器擋位切換過程的平順性，是自動變速器的重要評價指標(biāo)。

2 DCT變速器的工作原理

雙離合變速器有兩個同心空套輸入軸，加上若干中間軸，通過軸上相互嚙合的齒輪輸出動力，并通過控制兩離合器的狀態(tài)，實現(xiàn)原擋位離合器的分離和新?lián)跷浑x合器的接合[1]。布置形式一般是外奇內(nèi)偶（奇、偶以擋位區(qū)分），在擋運行時，其中一個離合器傳遞動力處于結(jié)合狀態(tài)，另一個離合器處于伺服狀態(tài)，換擋時通過對兩個離合器的協(xié)調(diào)控制，切換二者的工作狀態(tài)，快速實現(xiàn)扭矩的傳遞與轉(zhuǎn)速的同步。如果換擋過程控制得當(dāng)，DCT變速器能實現(xiàn)很好的換擋品質(zhì)。圖1、圖2分別是某車企雙離合自動變速器的結(jié)構(gòu)示意圖和傳動路徑原理圖。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 傳動路徑原理圖

3 評價指標(biāo)

針對滑行降擋轉(zhuǎn)動力降擋（RD2KD）工況發(fā)生的特殊性，本文主要選擇沖擊度作為評價指標(biāo)。

沖擊度是用來衡量換擋過程平順性的重要指標(biāo)，定義為縱向加速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)[2]。

式中：a為車輛縱向加速度；j為沖擊度；v為車輛行駛速度。

沖擊度大代表換擋平順性差，沖擊度小代表換擋平順性好。

通過公式（1）（2）推導(dǎo)出沖擊度j和結(jié)合扭矩間的關(guān)系為：

式中，T為離合器輸入扭矩；ω為角加速度；I為控制軸傳動系的轉(zhuǎn)動慣量；R為輪胎滾動半徑；i0為主減速器速比；ig為控制軸所在檔位速比。

因為對一個固定車輛傳動系間隙相對是固定的，由公式（3）得出，切換的速度越快、扭矩越大，沖擊就越嚴(yán)重。因受生產(chǎn)工藝影響，不同車傳動系間隙略有差異，所以解決滑行降擋過程中踩油門的沖擊問題，當(dāng)從控制入手系統(tǒng)性解決該問題。

4 滑行降擋轉(zhuǎn)動力降擋（RD2KD）沖擊問題分析

4.1 傳動系間隙

傳動系間隙指機械部件沿某個方向移動，未對下一個部件施加明顯力或造成運動的最大距離或角度，包括了力和位移兩個因素。間隙的來源主要是變速箱中齒輪之間的齒側(cè)隙，但整個動力總成中的其他游隙也會影響間隙，如花鍵聯(lián)接的配合間隙，傳動軸十字萬向節(jié)或等速軸萬向節(jié)滾珠的側(cè)向間隙等。

4.2 RD2KD過程分析

滑行降擋（RD）指的是整車動力狀態(tài)判定處于反拖條件下的降擋過程，滑行降擋的換擋階段依次為：離合器充油（prep）—扭矩交換（torq）—轉(zhuǎn)速調(diào)整（speed）。

動力降擋（KD）指的是整車動力狀態(tài)判定出于驅(qū)動條件下的降擋過程，動力降擋換擋階段依次為：轉(zhuǎn)速調(diào)整（speed）—扭矩交換（torq）。

為方便闡述RD2KD的過程，以滑行降擋3降2為例。在3降2滑行降擋的轉(zhuǎn)速調(diào)整階段，此時扭矩已完成交換，控制軸由3擋過渡到2擋，即由偶數(shù)離合器控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從高擋位向低擋位的同步過程，此時若駕駛員踩油門，整車驅(qū)動方式從整車反拖發(fā)動機變?yōu)榘l(fā)動機驅(qū)動整車，DCT控制系統(tǒng)會快速進行一次扭矩交換，將控制軸切換回3擋，用低轉(zhuǎn)速離合器控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，隨著奇數(shù)離合器傳遞扭矩逐漸增加，傳動系切換傳動方向。

3降2滑行降擋轉(zhuǎn)動力降擋過程如圖3所示。

圖3 滑行降擋轉(zhuǎn)動力降擋過程

濕式離合器接合與分離過程中所傳遞的扭矩主要由摩擦扭矩和拖曳扭矩組成，計算公式分別如下[3]：

式中，μ為摩擦片摩擦系數(shù)；F離合器彈簧壓緊力；Z摩擦副數(shù)量；r0、ri分別為離合器摩擦片的外徑、內(nèi)徑；σ為摩擦片與對偶鋼片粗糙度均方根值；h為油膜厚度；ωslip為離合器主從動盤間轉(zhuǎn)速差；?（h?μ）為流量因素；λ為變速箱油粘度。

滑行降擋轉(zhuǎn)動力降擋（RD2KD）要經(jīng)過以下幾個階段：

（1）滑行降擋的充油階段，如圖3中序號①階段所示，此階段奇數(shù)離合器傳扭，傳遞扭矩值等于發(fā)動機輸入扭矩，偶數(shù)離合器開始充油，不傳遞扭矩，具體如公示所示：

（2）滑行降擋的扭矩交換階段，如圖3中序號②階段所示，此階段奇數(shù)離合器傳扭逐漸下降，最后離合器控制壓力為0，僅傳遞拖曳扭矩，由于此時主從離合器速差較小，拖曳扭矩很小，可以忽略，偶數(shù)離合器傳扭逐漸增加，最后達(dá)到發(fā)動機輸入扭矩值，開始反拖發(fā)動機轉(zhuǎn)速，具體如公示所示[4]：

（3）滑行降擋的調(diào)速階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在偶數(shù)離合器的作用下，逐漸接近偶數(shù)離合器轉(zhuǎn)速，如圖3中序號③階段實線所示，奇數(shù)離合器僅傳遞拖曳扭矩，偶數(shù)離合器反拖發(fā)動機，反拖扭矩大小為發(fā)動機輸入扭矩絕對值相等，具體如公式所示：

式中，負(fù)號代表方向，此階段偶數(shù)軸離合器轉(zhuǎn)速高于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，整車出于反拖狀態(tài)。

此階段踩油門，滿足整車驅(qū)動條件，即會進入RD2KD工況。

（4）踩油門進入RD2KD工況后，TCU控制會立刻進行一次扭矩交換，如圖3中的序號④階段實線所示，speed+ torq階段奇數(shù)、偶數(shù)離合器進行一次扭矩交換，奇數(shù)離合器扭矩傳遞扭矩逐漸增加，偶數(shù)離合器傳遞扭逐漸減小，具體如公式所示：

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速此時出于兩個離合器轉(zhuǎn)速之間，奇數(shù)離合器輸出動力，偶數(shù)離合器反拖發(fā)動機，這時候就會兩個離合器“較勁”的情況，如圖4所示。由于液壓系統(tǒng)遲滯，奇數(shù)離合器壓力并不能很好地按目標(biāo)壓力響應(yīng)，這各階段傳動系傳動方向仍然是整車反拖發(fā)動機。

圖4 奇偶離合器“較勁”

（5）RD2KD的調(diào)速階段，如圖3中序號⑤所示，奇數(shù)離合器繼續(xù)傳扭，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸與偶數(shù)離合器同步，偶數(shù)離合器僅傳遞拖曳扭矩，具體如公式所示：

這個階段，發(fā)動機扭矩快速增加，奇數(shù)離合器傳遞扭矩遠(yuǎn)大于偶數(shù)離合器傳遞的拖曳扭矩，傳動系傳動方向快速切換，且切換過程扭矩上升斜率較大，沖擊嚴(yán)重。

（6）RD2KD的扭矩交換階段，如圖3中序號⑥所示，奇數(shù)離合器開始分離，偶數(shù)離合器開始結(jié)合，具體如公式所示：

滑行降擋過程中踩油門工況，沖擊問題涉及了傳動系間隙、液壓系統(tǒng)遲滯、傳動系反向等因素，是目前DCT車型中普遍存在的問題，不僅涵蓋自主DCT，大眾DQ380也存在該問題。

5 RD2KD沖擊問題標(biāo)定優(yōu)化方案

在RD2KD工況中沖擊嚴(yán)重程度取決于是否能在發(fā)動機扭矩快速增長之前將傳動系方向平穩(wěn)地切換過來，由于液壓系統(tǒng)存在遲滯，特別是離合器壓力接近回位彈簧Kp值的時候，壓力上行遲滯更明顯，具體如圖5所示，所以需從離合器基礎(chǔ)壓力控制及開環(huán)扭矩控制上入手。

圖5 博格華納某型號閥體壓力動態(tài)響應(yīng)

（1）以滑行3降2為例，當(dāng)檢測到油門踏板開度大于某一閾值時，開始在奇數(shù)離合預(yù)加開環(huán)扭矩，讓離合器基礎(chǔ)壓力高于Kp值0.1bar，避免壓力上行過程的較大遲滯，導(dǎo)致實際壓力不能按目標(biāo)壓力響應(yīng)。如圖3的第③階段所示，虛線為增加開環(huán)壓力后的表現(xiàn)。

（2）在判定整車進入驅(qū)動狀態(tài)后，進入RD2KD的speed +torq階段，開環(huán)將奇數(shù)離合壓力提高到一個較大值，同時將偶數(shù)離合器壓力減小到一個較小值，具體如圖3中階段④虛線所示，通過奇數(shù)離合器加壓，偶數(shù)離合器泄壓，將傳動系逐漸反轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)發(fā)動機正驅(qū)車輛，此階段發(fā)動機扭矩上升較慢。

（3）控制發(fā)動機扭矩上升歷程，在這種從反拖進入正驅(qū)的過程中，發(fā)動機扭矩經(jīng)過扭矩零點位置盡量平緩，在傳動系間隙固定的情況下，扭矩變化越慢，切換方向時間越長，沖擊越小。

6 試驗驗證

6.1 試驗方法

為驗證所提出標(biāo)定策略的可行性，以某車企搭載DCT變速器的車輛進行試驗驗證。在平直的試驗道路上，車輛變速器油溫達(dá)到接近90 ℃時，進行RD2KD工況測試，分別使用優(yōu)化前、后的控制方法進行對比。試驗過程中以滑行降擋儀表擋位變化為踩油門的起始位置，并記錄相關(guān)監(jiān)測量。

6.2 試驗結(jié)果

以上優(yōu)化前后試驗數(shù)據(jù)均是在滑行降擋的調(diào)速階段踩油門，油門踏板的開度分別為31.5%、30%，優(yōu)化前由于發(fā)動機扭矩上升很快，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升快，在RD2KD的speed+ torq階段已完成調(diào)速過程。

6.3 結(jié)果分析

（1）從圖6、圖7的測試結(jié)果可以看出，在RD2KD的speed+ torq階段，標(biāo)定優(yōu)化前后奇數(shù)軸壓力上行過程中，實際壓力與命令壓力的最大遲滯量分別為0.9 bar、0.3 bar，可見提高壓力上行前離合器的基礎(chǔ)壓力，對改善液壓系統(tǒng)遲滯有顯著效果。

圖6 優(yōu)化前試驗數(shù)據(jù)

圖7 優(yōu)化后的試驗數(shù)據(jù)

（2）通過在RD2KD的speed+torq階段，通過奇數(shù)離合器加較大開環(huán)扭矩，偶數(shù)離合器將扭矩快速減小到較小值，優(yōu)化前后傳動系方向切換時長分別為0.09 s、0.14 s。優(yōu)化前踩油門發(fā)動機扭矩過扭矩零點上升斜率為500 N·m/s，最大沖擊度為21 m/s3；優(yōu)化后發(fā)動機扭矩過扭矩零點上升斜率為220 N·m/s，最大沖擊度為6.4 m/s3；可見改善扭改善傳動系切換時長和降低扭矩過零點斜率能極大改善沖擊度。

（3）優(yōu)化前，發(fā)動機轉(zhuǎn)速最終穿過偶數(shù)離合器轉(zhuǎn)速時，會引起傳動系聳動，整車沖擊明顯；優(yōu)化后傳動系聳動趨勢減弱，沖擊減弱。

（4）需要指出的是本文中所提到的措施，對滑行降擋的扭矩階段踩油門沖擊問題同樣適用，滑行降擋的充油階段踩油門則會直接進入動力降檔控制。

7 結(jié)束語

本文從硬件結(jié)構(gòu)及控制邏輯方面分析了滑行降擋過程中踩油門產(chǎn)生沖擊的原因，并提出了優(yōu)化解決該問題的多個措施，最后經(jīng)過實車驗證，證明措施對解決該沖擊問題效果顯著。該策略已在相關(guān)上市車型中體現(xiàn)，經(jīng)過實車對比，該工況下駕駛性優(yōu)于搭載大眾DQ380相關(guān)車型。